汪小勇,唐軍武,李銅基,周虹麗
(國(guó)家海洋技術(shù)中心,天津 300112)
水面之上法測(cè)量水體光譜的關(guān)鍵技術(shù)
汪小勇,唐軍武,李銅基,周虹麗
(國(guó)家海洋技術(shù)中心,天津 300112)
對(duì)水體光譜特征的研究是海洋水色遙感的基礎(chǔ)工作之一。水體的光譜特征包括:表觀光學(xué)特性和固有光學(xué)特性。在水體的表觀光學(xué)特性研究方面,目前國(guó)際水色界推行的有:剖面法和水面之上法(也稱表面法)。由于我國(guó)近岸水體混濁度較高,淺水區(qū)域較多,研究這類水體的表觀光學(xué)特性應(yīng)以水面之上法為主、剖面法為輔。介紹了水面之上法水體光譜的測(cè)量技術(shù),就其中關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了討論。
水面之上法,水體光譜,光譜測(cè)量
在海洋水色遙感中,通常把海水分為兩類:I類水體和II類水體。I類水體是指其光學(xué)性質(zhì)主要由浮游植物及其降解物質(zhì)色素所決定的海水,而II類水體是指光學(xué)性質(zhì)由包括非葉綠素降解物質(zhì)所決定的水體,這些物質(zhì)主要是有色可溶性有機(jī)物(CDOM)、懸浮物、碎屑及細(xì)菌等。由于影響不同類水體光學(xué)特性的因素不同,所用的研究方法也就不同。在研究I類海水的表觀光學(xué)特性時(shí),以剖面法為主;而在研究II類海水的表觀光學(xué)特性時(shí),則以水面之上法為主。所謂剖面法,是縱向測(cè)量水下不同深度水體的光學(xué)特性,外推得到水表面的光學(xué)信號(hào),從而求得離水輻亮度(Lw)、歸一化離水輻亮度(Lwn)和遙感反射比(Rrs)等遙感物理量。這種方法在大洋I類水體中應(yīng)用十分廣泛,在混濁淺水區(qū)則無(wú)用武之地。所謂水面之上法,是在水面上方采取適當(dāng)?shù)挠^測(cè)幾何,通過(guò)觀測(cè)海面、對(duì)應(yīng)方向上天空光和海面入射輻照度(或水平放置的標(biāo)準(zhǔn)板)等目標(biāo),來(lái)求得與剖面法相同的遙感物理量。水面之上法在我國(guó)近岸水體及湖泊水體的光譜特性研究中,發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。
水面之上法的測(cè)量過(guò)程是通過(guò)測(cè)量海面、天空光的輻射亮度以及海面入射輻照度來(lái)導(dǎo)出離水輻亮度、歸一化離水輻亮度及遙感反射比等遙感物理量。
根據(jù)最新美國(guó)SeaWiFS海洋光學(xué)規(guī)范[1-4]推薦的觀測(cè)角度為(θ,φ)=(40°,135°),其中:θ是儀器觀測(cè)方向與海面法線方向的夾角;φ是儀器觀測(cè)平面與太陽(yáng)入射平面的夾角(圖1)。采取此觀測(cè)角度可最大程度地避免太陽(yáng)直射反射,同時(shí)減少測(cè)量點(diǎn)周圍建筑物陰影的影響。
圖1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的幾何關(guān)系
光譜儀接收到的信號(hào)為:
式中:Lw為離水輻亮度貢獻(xiàn):ρ*Lsky為對(duì)應(yīng)方向反射天空光輻亮度的貢獻(xiàn);ρ為氣水界面反射率;Lg為太陽(yáng)直射反射貢獻(xiàn)。采取前述的觀測(cè)幾何,可認(rèn)為L(zhǎng)g≈0,因此有:
Es參數(shù)可通過(guò)直接測(cè)量獲得,這樣的探頭大多有一個(gè)余弦采集器或者積分球,測(cè)量時(shí)必須安裝在其180°立體視場(chǎng)角均無(wú)遮擋物的地方,而且要保證儀器探頭的絕對(duì)垂直,并且在測(cè)量時(shí)要與測(cè)量海面部分同步進(jìn)行。
另外,該參數(shù)也可以通過(guò)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)板的輻射亮度來(lái)間接求得[5-9]:
式中:Lp為測(cè)得的標(biāo)準(zhǔn)白板的輻射亮度;Rp為標(biāo)準(zhǔn)白板的反射率。
這種方法有優(yōu)越性,也有局限性。
采用這種方法測(cè)量時(shí),只用一個(gè)輻亮度探頭,只要測(cè)量?jī)x器穩(wěn)定性好、線性度好,則不需要嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)室絕對(duì)輻射定標(biāo)就可以獲得遙感反射比等物理量:
式中:DNsea,DNsky,DNp分別為光譜儀面向水體、天空和標(biāo)準(zhǔn)板時(shí)的讀數(shù);ρ和Rp分別為氣水界面反射率和標(biāo)準(zhǔn)板的反射率。
如果采用直接測(cè)量的方法來(lái)獲取Es,則需要單獨(dú)的一個(gè)探頭來(lái)測(cè)量天空輻照度,因此會(huì)引入一定的誤差,而且必須對(duì)儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室絕對(duì)輻射定標(biāo)。另外,如果需要導(dǎo)出歸一化離水輻亮度、離水輻亮度等參數(shù),同樣需要對(duì)儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室絕對(duì)輻射定標(biāo)。
(1)標(biāo)準(zhǔn)板必須進(jìn)行嚴(yán)格的定標(biāo),包括雙向反射率定標(biāo),否則在晴天測(cè)量時(shí)不同的太陽(yáng)天頂角會(huì)引起測(cè)量結(jié)果較大的誤差;
(2)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí),標(biāo)準(zhǔn)板的周圍及上層建筑的遮擋和反射影響難以消除;
(3)相對(duì)于直接測(cè)量Es的方法,測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)板的輻射亮度,增加了測(cè)量步驟,相應(yīng)也就加長(zhǎng)了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所用的時(shí)間;
(4)測(cè)量時(shí),要保證標(biāo)準(zhǔn)板的嚴(yán)格水平和標(biāo)準(zhǔn)板不受污染,這在野外試驗(yàn)特別是在船上作業(yè)時(shí)難度較大;
(5)相對(duì)于直接測(cè)量Es的方法,測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)板時(shí)不能和水面及天空的數(shù)據(jù)同步采集,因此不能實(shí)時(shí)觀測(cè)太陽(yáng)的變化,因此,也就引入了一定的誤差。
圖2是直接測(cè)量的Es和通過(guò)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)板(反射率為25%)的輻亮度而獲得的Es的比較結(jié)果。從圖中可以看出,兩者的結(jié)果相差不大,最大誤差在7%左右,這可能是標(biāo)準(zhǔn)白板和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的上層建筑帶來(lái)的誤差。
圖2 海面入射輻照度Es測(cè)量值與計(jì)算值對(duì)比
歸一化是消除太陽(yáng)光照影響和大氣影響,相當(dāng)于把所有的測(cè)量條件都?xì)w于同一種情況:太陽(yáng)在測(cè)量點(diǎn)法線方向上,真空中測(cè)量,使所有測(cè)量具有可比性。根據(jù)NASA SeaWiFS海洋光學(xué)規(guī)范,歸一化離水輻亮度定義為:
式中:F0為大氣層外平均日地距離處的太陽(yáng)輻照度;Ed(0+)是水表面上總的下行入射輻照度;Lw為離水輻亮度。Ed(0+)或Es可由(3)式計(jì)算或直接測(cè)量得到。遙感反射比定義為:
遙感器定標(biāo)是遙感信息定量化的前提,遙感數(shù)據(jù)的可靠性及應(yīng)用的深度和廣度在很大程度上取決于遙感器的定標(biāo)精度。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的儀器,所指的定標(biāo)是實(shí)驗(yàn)室絕對(duì)輻射定標(biāo),一般要求每半年標(biāo)定一次,或長(zhǎng)期大型試驗(yàn)前后各標(biāo)定一次,根據(jù)NASA SeaWiFS海洋光學(xué)規(guī)范要求,實(shí)驗(yàn)室絕對(duì)輻照度定標(biāo)的不確定度<2%,輻亮度定標(biāo)的不確定度<3%。
實(shí)驗(yàn)室絕對(duì)輻射定標(biāo)是建立探測(cè)器輸出信號(hào)的數(shù)值量化值與該探測(cè)器對(duì)應(yīng)目標(biāo)的實(shí)際輻射值之間的定量關(guān)系的一個(gè)過(guò)程,包括輻照度定標(biāo)和輻亮度定標(biāo)。
輻照度定標(biāo)需要:標(biāo)準(zhǔn)燈、光欄、穩(wěn)壓電源、數(shù)字電壓表、千分尺等輔助設(shè)備;
輻亮度定標(biāo)需要:標(biāo)準(zhǔn)燈、光欄、穩(wěn)壓電源、數(shù)字電壓表、標(biāo)準(zhǔn)反射板、千分尺等輔助設(shè)備。
實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)流程:調(diào)整光路—測(cè)量距離—給標(biāo)準(zhǔn)燈緩慢加電—定標(biāo)測(cè)量—計(jì)算定標(biāo)系數(shù)。定標(biāo)示意圖如圖3所示。
另外,實(shí)驗(yàn)室絕對(duì)輻射定標(biāo)對(duì)實(shí)驗(yàn)室要求很高,包括對(duì)外界光的屏蔽、對(duì)溫度濕度的要求、對(duì)實(shí)驗(yàn)室清潔度的要求等[10]。
圖3 實(shí)驗(yàn)室絕對(duì)輻射定標(biāo)示意圖
波長(zhǎng)定標(biāo)的目的是校正儀器響應(yīng)波長(zhǎng)的漂移,一般要求每半年標(biāo)定一次。目前普遍的做法是,在額定的電流和電壓下,用儀器觀測(cè)有特征波長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)燈。用標(biāo)準(zhǔn)燈的特征波長(zhǎng)來(lái)校正儀器的響應(yīng)波長(zhǎng)即可。
圖4是FieldSpec波長(zhǎng)定標(biāo)的數(shù)據(jù),圖中光譜曲線的峰值為儀器響應(yīng)波長(zhǎng),表1中列出了標(biāo)準(zhǔn)燈的特征波長(zhǎng)及儀器的響應(yīng)波長(zhǎng),從結(jié)果來(lái)看,儀器的波長(zhǎng)漂移很小,性能良好。
圖4 波長(zhǎng)定標(biāo)數(shù)據(jù)
表1 波長(zhǎng)定標(biāo)結(jié)果/nm
質(zhì)量跟蹤的含義是用穩(wěn)定的光源來(lái)檢測(cè)儀器定標(biāo)方程的變化。由于野外試驗(yàn)的環(huán)境復(fù)雜,如果試驗(yàn)期間儀器性能變化太大,在此期間獲得的數(shù)據(jù)就沒(méi)有可比性。因此,經(jīng)實(shí)驗(yàn)室絕對(duì)輻射定標(biāo)后的儀器在長(zhǎng)期的野外試驗(yàn)期間,必須進(jìn)行質(zhì)量跟蹤,確保獲得高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。
氣水界面反射率的確定一直是一個(gè)有爭(zhēng)議的問(wèn)題。式(2)中ρ為氣水界面反射率,其范圍在0.02~0.05之間。一般在晴天,二級(jí)海況以下,觀測(cè)幾何為(40°,135°)時(shí),ρ可選取0.021,但實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中天氣情況要復(fù)雜得多,因此ρ的選取十分復(fù)雜也很重要。
因?yàn)榻t外波段的強(qiáng)烈吸收,在近紅外波段,一般離水輻亮度就已經(jīng)為0或接近于0了。如在I類水體(葉綠素a濃度 <0.25 mg/m3)中,Lw(670)=0 的假設(shè)是可以成立的[11],而在II類水體則比較復(fù)雜,要根據(jù)水體的本身情況來(lái)確定,可選擇Lw(1012)=0[12]。當(dāng)離水輻亮度Lw為0時(shí),由式(2)可以得到氣水界面反射率。
根據(jù)Mobley[13-14]研究表明,ρ與風(fēng)速、觀測(cè)角度以及太陽(yáng)天頂角有關(guān)。并給出了在40°觀測(cè)角時(shí)風(fēng)速和太陽(yáng)天頂角對(duì)應(yīng)氣水界面反射率的關(guān)系(圖5)。一般在全云覆蓋、低風(fēng)速、觀測(cè)角為40°時(shí),ρ可定為0.028,這比我們的經(jīng)驗(yàn)值稍大。
圖5 氣水界面反射率與風(fēng)速、天頂角之間的關(guān)系(觀測(cè)角為40°)
目前,已有很多算法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)耀斑等光污染的剔除,如M80,C85,S95,L98等。但這些算法都是針對(duì)特定儀器開(kāi)發(fā)的,算法中有些參數(shù)普通儀器無(wú)法測(cè)得。因此我們采用選擇適當(dāng)?shù)挠^測(cè)幾何,最大程度地避免太陽(yáng)耀斑等光污染的影響。所以現(xiàn)場(chǎng)的觀測(cè)幾何是相當(dāng)重要的。根據(jù)Hooker等人[15-16]多次比對(duì)試驗(yàn)表明,采取(30°<θ<45°,90°<φ<135°)觀測(cè)幾何,可以減小耀斑的影響。最新版的NASA海洋光學(xué)觀測(cè)規(guī)范也建議在(40°,135°)的觀測(cè)幾何下測(cè)量海面和天空光輻亮度。
即使采取了適當(dāng)?shù)挠^測(cè)幾何,還是不能完全避免太陽(yáng)耀斑燈光污染的影響(圖6),必須在后期的數(shù)據(jù)處理中予以剔除。由于太陽(yáng)耀斑的信號(hào)比較強(qiáng),一般比其他方面的貢獻(xiàn)要大,因此,數(shù)據(jù)處理中要剔除較大的數(shù)據(jù)。
圖6 一個(gè)波浪周期內(nèi)海面光譜數(shù)據(jù)
在晴天而且用測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)板方法來(lái)獲得Es的情況下,必須對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行雙向反射率校正。表2是一個(gè)反射率為35%的標(biāo)準(zhǔn)板在不同觀測(cè)角度時(shí)測(cè)定的反射率隨波長(zhǎng)變化的數(shù)據(jù),從中可以看出,在觀測(cè)角為10°和70°時(shí)反射率之間的誤差最大能達(dá)到14.6%,因此在晴天情況下測(cè)得的數(shù)據(jù),后期處理時(shí)必須予以校正;但是,在陰天情況下測(cè)得的數(shù)據(jù),由于各方向光照均勻,則不能進(jìn)行雙向反射率的校正。
雙向反射率校正的過(guò)程比較復(fù)雜,涉及到測(cè)量太陽(yáng)直射輻照度,這在船上現(xiàn)場(chǎng)操作比較困難,精度也不夠,現(xiàn)提供一種粗校正的方法。需要的參數(shù)有:測(cè)量點(diǎn)的經(jīng)緯度和觀測(cè)時(shí)間,計(jì)算當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐奶?yáng)天頂角,在雙向反射率表中,找出對(duì)應(yīng)角度的反射率計(jì)算。
表2 不同觀測(cè)角度對(duì)應(yīng)反射率及相互間誤差
在0~1級(jí)海況,晴天無(wú)云的天氣情況下,采用不同的積分時(shí)間(272 ms,544 ms,1 088 ms和 2 176 ms)來(lái)觀測(cè)海面,得到圖7中的遙感反射比曲線。由圖7分析可知,積分時(shí)間越長(zhǎng),對(duì)應(yīng)的遙感反射比越大,主要原因是長(zhǎng)積分時(shí)間無(wú)法避免隨機(jī)性的太陽(yáng)耀斑等光污染。但若積分時(shí)間太短,會(huì)導(dǎo)致儀器信噪比下降。綜合考慮,儀器的積分時(shí)間可確定為100~300 ms,一方面保證儀器的信噪比,另一方面避免太陽(yáng)耀斑等光污染的影響[6]。同時(shí),為減小儀器更換積分時(shí)間(切換增益)帶來(lái)的系統(tǒng)誤差,還要盡量使儀器測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)板與測(cè)量海面目標(biāo)用同一積分時(shí)間(增益),由于海面的信號(hào)比較弱,建議使用反射率為20%~30%的標(biāo)準(zhǔn)板。
圖7 晴天時(shí)同一測(cè)量點(diǎn)不同積分時(shí)間下獲得的遙感反射比
水面之上法測(cè)量誤差主要源于儀器的定標(biāo)誤差、測(cè)量用標(biāo)準(zhǔn)反射率白板的標(biāo)定誤差、測(cè)量方法不當(dāng)引入的誤差以及光照條件變化引起的誤差。其中,儀器定標(biāo)誤差約5%;標(biāo)準(zhǔn)板標(biāo)定(BRF)誤差約3%;數(shù)據(jù)處理誤差約7%,總誤差約為9.2%。以上誤差是在儀器和標(biāo)準(zhǔn)板經(jīng)嚴(yán)格實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)嚴(yán)格遵循現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量幾何關(guān)系下,并且晴天、無(wú)云、能見(jiàn)度高、海況較好的情況下得到的。
誤差分析:
(1)儀器定標(biāo)誤差約為5%,其中包含標(biāo)準(zhǔn)傳遞引起的誤差,約1%,這是不能避免的,另外使用標(biāo)準(zhǔn)板引入的誤差,約3%,其他誤差來(lái)自各探頭離點(diǎn)光源距離不等,以及距離測(cè)量等方面。
(2)標(biāo)準(zhǔn)板標(biāo)定誤差為約3%,包含其朗勃特性和均勻性方面誤差,需要在材料和工藝方面進(jìn)行改進(jìn)才能減小這方面誤差。
(3)數(shù)據(jù)處理誤差為約7%,包含測(cè)量數(shù)據(jù)引起的誤差,由于波浪的影響,海面觀測(cè)數(shù)據(jù)在1 s以內(nèi)變化都是很大的(圖6),有效數(shù)據(jù)不到10%,減小誤差的方法是連續(xù)快速采集盡量多的數(shù)據(jù),設(shè)置采樣間隔,以確保跨一個(gè)或多個(gè)波浪周期。另外,在確定氣水界面反射率ρ時(shí),也會(huì)引入較大的誤差,因?yàn)棣雅c風(fēng)速風(fēng)向、太陽(yáng)位置以及觀測(cè)幾何等因素有關(guān),比較復(fù)雜,應(yīng)盡快建立有效的模型來(lái)確定此參數(shù),以減小此方面帶來(lái)的誤差。
本文給出了水面之上法光譜測(cè)量的原理,討論了光譜測(cè)量中的關(guān)鍵問(wèn)題,對(duì)其中關(guān)鍵問(wèn)題如實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)、氣水界面反射率的求取、太陽(yáng)耀斑的剔除及雙向反射率的校正等問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)的敘述,但有些細(xì)節(jié)尚需進(jìn)一步的研究,同時(shí)對(duì)水面之上法的各種誤差來(lái)源進(jìn)行了分析。只有把握住每一個(gè)環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵問(wèn)題,提高水面之上法的整體精度,才能在我國(guó)的近岸海洋水色遙感中發(fā)揮更大的作用。
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Key Technologies of Water Spectra Measurements with Above-water Method
WANG Xiao-yong,TANG Jun-wu,LI Tong-ji,ZHOU Hong-li
(National Ocean Technology Center,Tianjin 300111,China)
The research on water spectral properties is a basic work of ocean color remote sensing.The water spectral properties contain Apparent Optical Properties(AOP)and Inherent Optical Properties(IOP).There are two popular methods to study water AOP:profiling method and above-water method at present.Due to the turbid and shallow coastal waters of our country,the main research method on AOP of these waters is above-water method,and the profiling method is auxiliary.The above-water method of water spectra measurements and analysis were given and a discussion was given about key technologies.
above-water method;water spectra;spectral measurement
TP79
B
1003-2029(2012)01-0072-05
2011-11-10
我國(guó)近海海洋綜合調(diào)查與評(píng)價(jià)專項(xiàng)資助項(xiàng)目——ST11區(qū)塊海洋光學(xué)調(diào)查與研究(908-01-ST11);我國(guó)近海海洋綜合調(diào)查與評(píng)價(jià)專項(xiàng)資助項(xiàng)目——我國(guó)近海海洋光學(xué)與遙感調(diào)查研究(908-ZC-I-04)
汪小勇(1978-),男,高級(jí)工程師,研究方向?yàn)楹Q蠊鈱W(xué)遙感。Email:wangs78@163.com